마그네트론 스퍼터링: 가장 일반적인 PVD 방법

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짧은 답변

마그네트론 스퍼터링은 생산 환경에서 가장 널리 사용되는 PVD 방법입니다. 이 방법은 대상 물질(소스) 근처에 플라즈마를 생성한 다음 자석을 사용하여 대상 표면 가까이에 전자를 가두는 방식으로 작동합니다. 이렇게 하면 플라즈마의 밀도가 높아져 단순 스퍼터링보다 더 낮은 압력과 더 빠른 속도로 증착할 수 있습니다.

반도체 제조, 광학 코팅 생산 또는 하드 코팅 분야에서 일하고 있다면 마그네트론 스퍼터링을 사용해 본 적이 있을 것입니다.

작동 원리

마그네트론 스퍼터링은 기본 스퍼터링에 자석이라는 한 가지 핵심 요소를 추가하여 구축합니다.

기본 스퍼터링(자석 없음). 저압 가스 환경(일반적으로 아르곤)에서 타겟(음극)과 기판(양극) 사이에 고전압을 가합니다. 전압은 아르곤 가스를 이온화합니다. 양전하를 띤 아르곤 이온은 음전하를 띤 타겟을 향해 가속하여 표면에서 원자를 떨어뜨립니다. 그 원자들은 기판으로 이동하여 박막을 형성합니다.

문제는 표적에서 방출된 대부분의 전자가 즉시 빠져나간다는 점입니다. 플라즈마는 약하게 유지됩니다. 증착률이 낮습니다.

마그네트론 스퍼터링은 자석을 추가합니다.타겟 뒤에 강한 자석 어레이가 자기장을 생성하여 전자를 타겟 표면 가까이에 가둡니다. 갇힌 전자는 더 많은 아르곤 원자를 이온화합니다. 더 많은 아르곤 이온이 표적에 부딪칩니다. 더 많은 표적 원자가 느슨해집니다.

그 결과 증착 속도가 단순 스퍼터링에 비해 10배에서 100배까지 증가합니다. 또한 10^-1 토르 대신 10^-3 토르까지 낮은 압력에서 작동할 수 있으므로 가스 충돌이 적고 필름이 더 깨끗해집니다.

굽타, 조티 & 샤이크, 하비부딘 & 쿠마르, 킬라리. (2021). 전기 변색을위한 텅스텐 산화물 박막의 다공성의 두드러짐에 대한 검토. Ionics. 27. 1-28. 10.1007/s11581-021-04035-8.

침식 트랙 문제

자기장은 균일하지 않습니다. 타겟 표면의 폐쇄 루프에서 가장 강합니다. 전자가 거기에 갇힙니다. 플라즈마가 거기에 집중됩니다. 거기에서 침식이 발생합니다.

이로 인해 대상 표면에 고리 모양의 침식 홈인특징적인 레이스 트랙이만들어집니다 .

이것이 의미하는 바:

• 타겟 활용도가 제한됩니다. 일반적인 평면형 마그네트론 타겟은 침식이 백킹 플레이트에 도달하기 전에 재료의 25~35%만 사용합니다.
• 나머지 타겟은 손대지 않습니다. 버리면 되죠.
• 이것이 마그네트론 스퍼터링의 주요 단점입니다. 회전 타겟은 이 문제를 해결하지만 나름의 장단점이 있습니다.

중요한 핵심 파라미터

마그네트론 스퍼터링 시스템을 지정하거나 작동하는 경우 제어해야 할 파라미터는 다음과 같습니다.

전원 공급 장치 유형. DC 전원은 전도성 타겟(금속)에 적합합니다. RF 전원은 절연성 타겟(세라믹, 산화물)에 적합합니다. 펄스 DC는 반응성 스퍼터링에 적합한 절충안입니다. 이 시리즈에서 각각에 대해 설명합니다.

압력. 마그네트론 스퍼터링의 일반적인 작동 압력은 2 ~ 20 mTorr입니다. 압력이 낮을수록 가스 충돌이 적고 필름 밀도가 높아지지만 증착 속도가 느려집니다. 압력이 높을수록 산란이 많아지고 방향성 증착이 감소합니다.

대상 재료. 순도, 입자 크기, 밀도는 모두 필름 품질에 영향을 미칩니다. 다공성 타겟은 입자를 뱉어냅니다. 입자가 거친 타겟은 고르지 않게 침식됩니다.

기판 바이어스. 기판에 음의 전압을 가하면 증착 중에 양이온을 끌어당깁니다. 이는 필름을 조밀하게 하고 접착력을 향상시키지만 필름 응력을 증가시킬 수도 있습니다.

마그네트론 스퍼터링의 장점

높은 증착 속도.자기 감금으로 인해 마그네트론 스퍼터링은 다른 스퍼터링 방법보다 훨씬 빠릅니다.

낮은 기판 가열. 대부분의 에너지는 기판이 아닌 타겟 근처의 플라즈마에 머물러 있습니다. 플라스틱과 같이 온도에 민감한 소재에 필름을 증착할 수 있습니다.

우수한 접착력. 스퍼터링된 원자는 증발된 원자보다 높은 에너지로 도달하므로 필름 접착력이 향상됩니다.

확장성. 마그네트론 스퍼터링은 소규모 연구 샘플과 대규모 생산 공정에 적합합니다. 단일 타겟의 길이는 1인치에서 10피트까지 다양합니다.

합금 및 화합물 필름.합금 타겟에서 스퍼터링하여 필름에서 동일한 구성을 얻을 수 있습니다 . 반응성 가스(산소, 질소)를 도입하여 산화물 또는 질화물을 형성할 수도 있습니다.

제한 사항

타겟 활용도가 낮습니다. 경마장 효과로 인해 대부분의 타겟이 낭비됩니다. 이것은 평면 마그네트론 스퍼터링에 대한 가장 큰 불만입니다.

가시선 증착. 모든 PVD 방법과 마찬가지로 마그네트론 스퍼터링은 가시선 공정입니다. 복잡한 형상이나 깊은 트렌치의 뒷면을 효과적으로 코팅할 수 없습니다.

입자 생성. 아크 또는 타겟 결함은 기판 위에 떨어져 결함을 유발하는 입자를 생성할 수 있습니다. 이는 반도체 제조의 주요 관심사입니다.

절연 타겟에는 RF가 필요합니다. 절연체를 DC 스퍼터링할 수 없습니다. 더 비싸고 효율이 떨어지는 RF 전력이 필요합니다.

일반적인 응용 분야

반도체. 마그네트론 스퍼터링은 칩 제조에서 금속층(알루미늄, 구리, 티타늄, 탄탈륨)과 확산 장벽(TiN, TaN)을 증착합니다.

광학 코팅. 반사 방지 코팅, 거울 및 필터는 필름 밀도 및 두께 제어로 인해 마그네트론 스퍼터링으로 제작되는 경우가 많습니다.

하드 코팅. 절삭 공구와 금형의 TiN, CrN 및 DLC 코팅은 마그네트론 스퍼터링으로 적용됩니다.

장식용 코팅.시계 케이스, 수도꼭지, 자동차 트림의 금색, 검정색, 무지개색은 마그네트론 스퍼터링으로코팅하는경우가 많습니다.

태양 전지. 박막 태양 전지의 투명 전도성 산화물(ITO, AZO)과 금속 접점은 마그네트론 스퍼터링을 사용합니다.

마그네트론 스퍼터링과 다른 PVD 방법 비교

속도가 중요한 생산 환경에서는 마그네트론 스퍼터링이 유리합니다. 입자가 없는 매우 매끄러운 필름이 필요한 연구 또는 응용 분야에서는 이온 빔 스퍼터링이 더 좋지만 훨씬 느릴 수 있습니다.

결론

마그네트론 스퍼터링이 기본 PVD 방법인 데에는 이유가 있습니다. 이 방법은 빠르고 다목적이며 2인치 연구용 웨이퍼부터 10피트 건축용 유리 패널에 이르기까지 모든 용도에 사용할 수 있습니다.

가장 큰 단점인 타겟 활용도가 낮다는 점은 실제 비용입니다. 그러나 대부분의 생산 애플리케이션에서는 속도와 필름 품질이 낭비를 정당화합니다. 타겟 활용도가 주요 관심사라면 회전식 타겟(별도 문서에서 다룸)을 고려하십시오.

그렇지 않다면 여기서부터 시작하세요. 마그네트론 스퍼터링은 대부분의 작업에 가장 적합한 도구이기 때문에 가장 일반적인 PVD 방법입니다.

스퍼터링 타겟 및 증착 재료 공급업체인Stanford Advanced Materials에서제공합니다 .